元宇宙圖書館系統構成與應用研究

馮川玉 趙文萱

摘 要 本文研究元宇宙圖書館系統構成與應用，旨在論述元宇宙圖書館各項關鍵技術的基礎上提出系統架構和組成方案，并探索元宇宙圖書館的運行與服務模式。首先分析了元宇宙圖書館的概念，辨析了元宇宙圖書館與其他相關概念的內在關聯；并基于元宇宙概念內涵與智慧圖書館的發展需求，提出了元宇宙圖書館系統架構與組成方案；同時，基于元宇宙特點與發展前景，探討了元宇宙圖書館的運行模式與服務模式，借此為元宇宙圖書館研究與建設提供參考。

關鍵詞 元宇宙圖書館；系統構成；運行模式；智慧服務

分類號 G259.2

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2024.02.011

Research on the Composition and Application of Metaverse Library System

Feng Chuanyu， Zhao Wenxuan

Abstract This paper studies the composition and application of the metaverse library system， aiming to discuss the key technologies of the metaverse library， propose a system architecture and composition plan， and explore the operation and service modes of the metaverse library. Firstly， the concept of metaverse library was analyzed， and the internal relationship between metaverse library and other related concepts was identified. Subsequently， based on the connotation of the concept of the metaverse and the development needs of smart libraries， a system architecture and composition plan for the metaverse library were proposed. Finally， based on the characteristics and development prospects of the metaverse， the operating and service modes of the metaverse library were explored. This paper can provide reference for the research and construction of metaverse libraries.

Keywords Metaverse library. System composition. Operating mode. Smart services.

0 引言

隨著大數據、云計算、5G/6G、虛擬現實、數字孿生、人工智能等信息技術快速發展，作為信息技術集大成者的“元宇宙”概念應運而生。元宇宙是信息技術綜合后產生的新體系，目標是人類的“虛擬重生”[1]。元宇宙作為信息時代知識生產與知識服務的高級形態，由各項新型信息技術整合后組成的復雜系統，在社會生產與生活各個領域具有廣泛的應用前景[2]。而基于元宇宙的智慧圖書館通過從實體圖書館到數字虛擬圖書館的實時映射，可構建數字虛擬環境中的圖書館應用場景和智慧服務模式[3]，有效提升圖書館的運行效率和讀者體驗效果。元宇宙的應用作為未來智慧圖書館發展的重要方向[4-5]，從事圖書館工作的館員有必要深入了解元宇宙概念、以及現有信息技術與元宇宙的關系，參與對基于元宇宙應用的智慧圖書館的構建討論。因此，本文在梳理了元宇宙與支撐技術之間關系的基礎上，分析了元宇宙圖書館的工作模式，面向智慧圖書館系統架構設計了元宇宙圖書館的典型應用場景，擬為元宇宙圖書館建設與發展研究提供參考。

1 元宇宙圖書館概念及其內涵

元宇宙是融合多種信息技術實現真實物理世界與數字虛擬空間虛實相融的互聯網應用形態，通過數字孿生技術生成與現實世界平行的虛擬空間，虛擬空間與真實物理世界在社會生產、社交、身份等系統上深度融合并且同步更新、共同演化，應用虛擬現實技術可使人獲得各種沉浸式體驗[6]。借鑒元宇宙的概念和內涵，綜合目前業界對元宇宙圖書館的描述，筆者認為元宇宙圖書館[7-9]是通過融合5G/6G、大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、虛擬現實和增強現實等新型信息技術，將物理實體圖書館的人、機、館藏資源、硬件設施各要素通過云、端、網架構進行信息賦能，同時融合了讀者的思維意志和情感想象等主觀意識，所形成的一個連接物理圖書館與數字圖書館虛實共生的圖書館新形態。從這里可以看出元宇宙圖書館與數字圖書館、數字孿生圖書館以及智慧圖書館存在著區別與聯系。

（1）數字圖書館的核心是對物理圖書館各種資源和要素進行數字化，形成一個與物理實體圖書館對應的數字虛擬空間，因此，數字圖書館是元宇宙圖書館的基礎。

（2）數字孿生圖書館是在數字圖書館基礎上發展而來，孿生的內涵是數字空間與物理空間的實時映射，不僅能夠實現由物理圖書館到虛擬圖書館的“由實構虛”，而且能夠實現從虛擬空間到物理空間的“由虛導實”，具備虛擬空間與物理空間的互操作。

（3）元宇宙圖書館不僅具備數字孿生數字圖書館的虛擬鏡像生成與互操作能力，更重要的是通過增強現實、虛擬現實和混合現實等擴展現實技術進行體驗營造，構建一個虛實相融的新型數字圖書館形態，通過虛擬空間與現實空間的多重連接和交疊，能夠在虛擬空間為讀者提供近乎物理真實化的感官體驗。

（4）從單純的數字圖書館到數字孿生圖書館再到元宇宙圖書館，相比于物理實體圖書館，都能夠提供不同于實體圖書館的智慧服務，可以看做是智慧圖書館的不同階段，因此，可認為元宇宙圖書館是智慧圖書館的高級階段。

2 元宇宙圖書館應用及服務模式

實體圖書館是由館藏資源、館員和讀者組成，可以認為是圖書館的真實三元世界，能夠提供目前實體圖書館的線下服務；虛擬圖書館由數字資源、數字館員和虛擬讀者組成，是通過數字技術構建的與實體圖書館對應的虛擬的三元世界[10]，提供數字化的線上服務；而元宇宙圖書館是實體圖書館與虛擬圖書館的融合，將實現實體圖書館中三元世界與虛擬圖書館中三元世界的精準映射、實時交互與智能演化，可實現實體圖書館與虛擬圖書館從孿生到相生再到融生狀態。元宇宙圖書館應用大致如圖1所示。

圖1 元宇宙圖書館應用示意圖

在元宇宙圖書館應用中，可抽象為信息生產、信息服務與信息獲得，其功能可通過實體圖書館與虛擬圖書館的深度融合實現。信息生產由實體圖書館與數字圖書館的館藏系統提供，同時實現讀者與館員的身份管理；信息服務是由實體館員與數字館員提供，同時實現不同的服務體驗；讀者通過元宇宙的館藏系統和館員獲得服務，實現元宇宙中的信息獲得，也是元宇宙圖書館的價值。

在元宇宙圖書館中，通過虛擬現實、機器人和腦機接口，將會極大提高生產信息的能力，并通過全面接管讀者的視覺、聽覺、觸覺以及捕捉動作來實現元宇宙中的信息交互，尤其是借助智能感知設備實現虛實空間各類數據的實時交互，借助虛擬現實/增強現實設備為讀者提供更多的場景式沉浸服務體驗。沉浸式的交互體驗是元宇宙圖書館能為讀者提供的更為特殊的服務，通過VR、AR、腦機接口和各類傳感器提供的強交互性信息展示方式將為讀者感官帶來全方位的體驗。由此，元宇宙圖書館的服務模式有助于知識資源全網立體集成、知識服務生態鏈全域流通、學習閱讀空間線上線下虛實交互，其服務運行如圖2所示。

圖2 元宇宙圖書館的服務運行示意圖

元宇宙圖書館的信息產生來源主要包括館員生產、館員生產+讀者生產、讀者生產三種。館員通過館藏資源生產內容，此時讀者只是參與者；第二種來源是由館員與讀者共同生產的內容，此時讀者從被動接受逐漸轉化為主動生產內容，比如讀者在數字平臺上提出自己的需求，實體圖書館館員和“數字館員”根據需求提供針對性的信息服務，這是元宇宙圖書館與傳統實體圖書館的區別；讀者生產則是利用元宇宙圖書館提供的“場所”由讀者自主進行知識生產。由于元宇宙圖書館的高自由度、強互動性特點，讀者不僅可以在平臺上進行自我服務，還能生產信息，比如讀者可以在數字平臺上分享自己的閱讀體驗，成為信息的創造者，從而為其他具有相同趣味和需求的讀者提供信息。

元宇宙圖書館系統由于具有龐大豐富的內容生態，讀者可接受到圖書館的多樣化、定制化信息服務。圖書館通過智能技術在對海量的知識內容進行深度挖掘后，便可基于讀者閱讀偏好提供自發推送與呈現的智能推送服務，使讀者能夠花費更少時間和精力就可便捷地獲得更加充分的信息和知識，更高效地滿足讀者對信息的全面性、豐富性、時效性需求。因此，元宇宙圖書館相對于傳統的實體圖書館來說，具有以下三個方面的特征[11-12]。

（1）實時交互。讀者能夠借助多種形式的信息終端訪問數字虛擬圖書館，在元宇宙圖書館的綜合環境下，由于各種資源和要素互聯互通，可實現讀者與各類圖書館資源的實時互動，所獲得的信息匹配度將會更高。

（2）虛實融合。元宇宙圖書館通過管理系統、借閱系統和身份系統將虛擬圖書館與實體圖書館密切融合，使人們在實體圖書館與虛擬圖書館的三元世界中擁有同樣的感知能力，能夠在虛擬圖書館和實體圖書館中自由穿梭，使得讀者、館員和管理者只要有相應的接入設備，無論在任何地方就能夠不受地理空間的限制得到元宇宙圖書館提供的服務。

（3）去中心化。利用區塊鏈等去中心化的安全認證技術，可以實現各類數字資源的認證、確權、流通、使用和虛擬身份認證，實現對數字館藏資源和權益的泛在化服務智能化管理。元宇宙圖書館可以在不受主體控制下自主運行，每個讀者都可以在其中自主、開放地獲取知識和創造價值。其中，實體圖書館和數字虛擬圖書館的融合是元宇宙圖書館最顯著的特征。

3 元宇宙圖書館系統架構

元宇宙圖書館利用新型信息技術能夠提供越來越多的高質量智慧服務，這些智慧服務將不再以具體時間、地點等物理實體為主，而是通過信息網絡為讀者營造一種即時的圖書館在場感，使用戶可以隨時隨地獲取高質量的個性化知識服務。在元宇宙圖書館規劃、建設與運行中，通過采集實體圖書館實體空間、館藏資源和運行的各項數據，可應用數字孿生技術建立起與實體圖書館完全對應的動態交互和精準映射的虛擬孿生體。筆者針對元宇宙圖書館應用需求，結合最新信息技術發展狀況，在參考相關文獻的研究成果[13-14]的基礎上設計了元宇宙圖書館系統架構，其組成自下而上可分為物理層、數據層、模型層、應用層和交互層共5個層級，如圖3所示。

圖3 元宇宙圖書館構成方案示意圖

（1）物理層。物理層是元宇宙圖書館的基礎，是數據生成、數據存儲、數據分析以及應用數據的載體，包含圖書館物理實體和感知設備，其中，感知設備利用智能泛在網絡、傳感器、數字標識與機器人等各類設備感知圖書館實體的各種設施和館藏資源，并將感知數據傳輸給數據層進行存儲與處理。

（2）數據層。數據層用于實現數據管理、存儲、傳遞以及集成，為元宇宙中圖書館運行提供數據支撐。數據層具備多源異構數據的融合功能，依托數字孿生技術，將動態復現圖書館實體的外部環境、實時數據和歷史狀態，建立與實體圖書館相對應的數字孿生體，與物理層進行實時雙向數據交互，助力元宇宙圖書館的管理和服務。

（3）模型層。模型層包括圖書館空間規劃模型、場景匹配模型、讀者分布模型、讀者行為模型、資源優化模型以及個性化推薦模型等反映圖書館各類功能的模型，融合了館藏要素、業務流程、規則邏輯等功能。通過基于大數據的模擬仿真和深度學習，實現元宇宙圖書館物理實體、孿生模型與孿生體間的立體感知、優化迭代、協同計算與智能決策，實現數字虛擬圖書館與實體圖書館的同生共智共演化。

（4）應用層。應用層主要包括場館現地服務、遠程線上服務、實時監測管理和決策支持等功能，其中，場館現地服務包括圖書資源展示、圖書虛擬助讀、圖書索引、機器人服務和空間預約等；遠程線上服務包括虛擬咨詢、移動視覺搜索、增強現實、線上智能推薦等功能；實時監測管理包括實時監控調入、視頻場景還原、用戶行為監控和設施設備監測等功能；決策支持包括資源需求預測、館藏資源優化、服務改善、數據驅動采購和館藏空間優化等功能。在元宇宙圖書館中采用云計算、機器學習、拓展現實等先進信息技術措施，為讀者提供不同于傳統線下圖書館的各項功能和智慧服務。

（5）交互層。交互層是讀者進入元宇宙圖書館的入口，主要為圖書館管理人員和讀者提供智能交互終端與業務管理界面。依托智能終端、體感設備和VR/AR/MR等擴展現實設備實現人機交互，構建圖書館數字孿生空間的虛擬情景，為讀者提供沉浸式體驗。通過多模信息終端為讀者提供針對性個性化的智能推送，實現虛實空間的實時動態交互。管理人員通過監測實體圖書館運行數據，實現智慧圖書館的個性化智能服務與各項設備設施的智能管控。

4 元宇宙圖書館系統運行模式

元宇宙圖書館通過實體圖書館與數字虛擬體之間的信息交互和虛實融合，很大程度上滿足了讀者個性化、精準化和智能化的沉浸式服務體驗。在元宇宙背景下，借助數字孿生技術，通過對實體圖書館的全要素數字化，在數字虛擬空間實現可視服務、智能決策、實時交互和協同融合，從而改變了傳統實體圖書館的工作和服務模式[15]。通過對支撐元宇宙圖書館的信息技術原理和運行機制分析，元宇宙圖書館系統的運行模式可分為虛實融合支撐系統、智能處理系統和智慧交互服務系統[16-17]，如圖4所示。

圖4 元宇宙圖書館的運行模式示意圖

4.1 虛實融合支撐系統的運行模式

虛實融合支撐系統主要實現實體圖書館到虛擬圖書館的實時數據采集和動態信息交互。實體圖書館包含圖書館物理空間、各類館藏資源、館員信息、讀者數據和運行數據，通過接收虛擬圖書館發來的各類指令，按照指令實現對實體圖書館管理、監測與控制功能。虛擬圖書館是實體圖書館在虛擬空間中的數字化映射，其實質是實體圖書館各項物理實體數字化與運行過程模型化，對實體圖書館實際運行和管理服務進行全面映射，根據圖書館運行情況建立相應模型，實現實體圖書館各類實體與其數字孿生體對應模型之間共生同長和協同演化。

虛實融合支撐系統的運行流程如下：（1）通過傳感器對實體圖書館的立體感知完成數據采集，比如利用門禁系統對讀者身份數據采集、通過RFID對館藏資源進行采集、通過網絡工具對讀者線上軌跡進行采集、通過監控設備對各類影像采集、通過傳感器對空間環境數據采集等；（2）把采集的數據傳輸給虛擬圖書館，在虛擬圖書館進行存儲和建模，得到與實體圖書館對應的各種模型，并將指令實時反饋給實體圖書館，實現與實體圖書館的實時信息交互與動態映射；（3）實體圖書館接收并執行虛擬圖書館反饋的指令，實現虛擬圖書館與實體圖書館的實時數據映射。

4.2 孿生智能處理系統的運行模式

孿生智能處理系統包括數據融合與數據優化，是連接圖書館物理實體、虛擬孿生體與智慧交互服務系統的關鍵，主要功能包括數據融合和數據優化，通過數據挖掘、協同計算、迭代優化和深度學習，實現特征提取、特征融合、智能決策等數據分析與融合功能，對存在的問題、所發生的故障以及運行規律和潛在事件進行預測。

4.3 智慧交互服務系統的運行模式

智慧交互服務系統包括各類智能設備和智能管控功能，在孿生系統驅動下實現智能交互、個性化服務、智能管理與控制功能，是實現智慧圖書館管控與對讀者各項服務的接口和界面。元宇宙圖書館不僅可使讀者在獲得信息服務時突破時空限制，可極大提升讀者的服務體驗，結合虛擬現實、增強現實和混合現實等信息技術，提供基于智能系統的知識性、工具性和情感性服務能力，從而實現讀者可自主探索的開放式學習環境，獲得個性化沉浸式服務體驗[12]。

5 結語

基于館藏資源、館員和讀者三元世界中的元宇宙圖書館系統，通過對信息流動的實時交互處理，將使得圖書館的智慧服務具有場所泛在性、空間虛擬化、手段智能化、內容知識化和體驗情景化等特點[18-20]，迎來全新服務升級和協同創新發展，進一步重塑圖書館新業態和發展邏輯。 2022年，全球首家具有元宇宙特性的數字圖書館——臨港數字科技圖書館開館營業，其擁有的巨型沉浸式虛擬互動裝置、具有前瞻性和標志性的“知識金字塔”，構建的海量內容的沉浸式“字核心”，已成為當下閱讀體驗最豐富、科技信息最完整、國際協同最通暢的“圖書館綜合體”[21-23]。由此可見，“智能化技術+服務化應用”作為圖書館智能化的實現手段，元宇宙圖書館系統的創建將成為提升圖書館服務水平最好的應用工具。具有高精度感知、泛在互聯的元宇宙圖書館系統對于實體圖書館運行狀況的全面感知、全要素動態管控，將不斷提升圖書館業務全流程的智能協同管理能力，全面提高圖書館全流程的智慧服務水平。

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馮川玉 金陵圖書館館員。 江蘇南京，210019。

趙文萱 金陵圖書館館員。 江蘇南京，210019。

（收稿日期：2022-12-20 編校：劉 明）